注液态二氧化碳技术在矿井防灭火中的应用
2014-09-17刘岷学陈足章王洪涛
刘岷学 陈足章 王洪涛
摘要：二氧化碳已被广泛应用于各种火灾的治理，它能在较短的时间内控制和扑灭气体、液体、固体和电气火灾，它具有灭火能力强、速度快、使用范围广、对环境不会造成污染等特点。文章介绍了采用注液态二氧化碳新技术，并通过亭南煤业205工作面在停采期间进行防灭火的应用实践证明，该技术有较好的防灭火效果和经济效益。
关键词：液态二氧化碳；防灭火；矿井火灾
中图分类号：O741 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0049-02
1 矿井概况
亭南矿井位于陕西省咸阳市长武县境内、彬长矿区中部。矿井地质储量3.91亿吨，可采储量0.91亿吨，主采侏罗系4号煤层，易自燃煤层。矿井生产能力300万
吨/年，瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。205采煤工作面是二盘区第三个工作面，是第二个采用大采高采煤工艺的工作面，工作面采用倾斜长壁综合机械化后退式采煤法回采，全部垮落法管理顶板，一次采全高6m。
2 矿井通风及防火情况
矿井采用中央分列抽出式通风，目前矿井需要风量为15188m3/min，实际总进风量为16235m3/min；矿井总回风量为17481m3/min，有效风量为14818m3/min，矿井有效风量率为91.3%；矿井负压为2150Pa，矿井等积孔为7.3m2。
煤炭自燃倾向性鉴定为自燃煤层，最短自然发火期为39～46天；煤尘爆炸指数33.86%～35.62%，4#煤层煤尘具有爆炸性。矿井防灭火系统有井下移动注氮系统、黄泥灌浆系统、煤矿自燃火灾束管检测系统。另外，还配备了注液态二氧化碳系统。煤矿自燃火灾采用束管循环监测和人工取样相结合的方式进行监测，能够同时分析检测八种气体的浓度，依此分析判定各地点的气体浓度变化情况。
3 注液态二氧化碳防灭火技术简介
注液态二氧化碳防灭火是应用二氧化碳惰化采空区或火区，抑制煤的氧化自燃、熄灭火点；另外，它还可以快速降温达到防火、灭火的目的。
3.1 液态二氧化碳特性
液态二氧化碳密度随温度变化而改变，-37℃时的密度约为1101kg/m3，汽化热为137kcal/kg，在温度15℃和1个大气压下，1吨液态二氧化碳体积膨胀约640倍。
3.2 液态二氧化碳防治煤自燃机理
3.2.1 吸附阻氧。各煤种在低温阶段吸氧过程中都伴随着耗氧过程而释放CO2、CO等气体，煤级越低，开始释放CO2越早。煤对气体吸附强弱顺序为CO2>CH4>N2。煤吸附CO2能力很强，属于物理吸附，CO2在煤表面的吸附较稳定；煤对CO2优先吸附，且随着压力升高，其选择性吸附能力增加。由于煤对CO2的吸附性强，它的存在必定会对煤低温吸附O2过程有重要影响，CO2的加入导致氧吸附量会减少，影响煤的氧化反应速率。
3.2.2 吸热降温。液态二氧化碳温度低，在直接压注液态二氧化碳时会瞬间气化，体积迅速膨胀，需要吸收大量热量，火区温度急剧下降，降低了煤的氧化升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。注入高温火区的二氧化碳气体温度低，不仅具有对火区惰化和抑爆的能力，而且可以吸收大量的热，从而降低火区温度，加快火区的熄灭。
3.2.3 惰化降氧。液态二氧化碳充注到火区并气化后，使得火区氧浓度下降，削弱了煤氧复合的一个重要条件，使火区因缺氧而窒息。同时，一定程度上抑制了CO等氧化产物的产生，随着CO2浓度增加，耗氧速率减小，煤样表现活化能提高，从宏观上抑制了煤氧化
自燃。
液态二氧化碳内没有氧气，向高温火区灌注时，可完全避免带入氧气而造成的不利影响；而且，二氧化碳比空气密度大，泄漏流失量小，可快速沉入底部而挤出氧气，并在火区内扩散充满其空间，使火区内氧气浓度急速下降。
4 注液态二氧化碳防灭火应用情况
205采煤工作面是二盘区第三个采煤面，在2014年春节放假期间，采用了向采空区压注液态二氧化碳的防火措施，既确保了放假停面期间的防火安全问题，又节约了防火费用。
提前在205灌浆巷内，距205工作面以里40m和45m处，向205采空区方向分别施工注液态二氧化碳高位钻孔，孔径为Ф94mm，高位孔间距为5m。施工钻孔时距底板1.5m处进行施工，钻孔的终孔位置距工作面顶板垂距5m，钻孔的水平方向垂直205面运输顺槽，并且与采空区相透。
在205运输顺槽2#联络巷内敷设一条Ф108mm管路，将205运输顺槽的注浆管路与205灌浆巷的防尘管路相连，并加设1#、2#、3#阀门。再将两个高位孔与205灌浆巷防尘管路相连。
利用移动式二氧化碳灌注时，用Ф25mm高压胶管与1#、2#高位孔连接注入，如图1所示：
12天期间共向205面后部采空区注液态二氧化碳20吨，注入结束后，从采空区采气样利用色谱仪分析，一氧化碳浓度一直稳定在3～21ppm范围内，与以往的利用注高分子胶体防火措施相比，缩短了施工时间，节约了成本。
5 注意事项
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置应在允许的工作压力范围内进行操作，安全泄压装置能在压力过剩的情况下对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置起到保护作用。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严禁超装（本矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置充装系数≤0.95）。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的充装、卸液等人员必须进行相关操作的业务知识培训，培训合格后，方能上岗。
在拆卸任何零件或拧松接头之前，要排空盛有液体的矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，并用安全方式释放挥发气体的压力，外部阀门和接头会变得非常冷，如未加以正确防护，会造成人员受伤。任何时候如要拆卸零件或拧松接头，必须戴上皮制式棉布防护手套和防护面罩，以免低温对人员的冷冻伤害。只有在确认安全的前提下，方可对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置进行修理。
如不小心使皮肤或眼睛接触到液态二氧化碳会导致类似烧伤的冷灼伤，搬运液体要注意不要使其溅落或溢出。要对眼睛、皮肤等易与液体接触的部位进行保护，如产生液体喷射、飞溅或者冷冻气体会从设备内强烈喷出，要戴上防护镜或面套，建议戴上易于脱下的防护手套和长套袖，保护胳膊；要穿上无箍口长裤，裤管要盖住鞋子，以挡住溢出的液体。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的吊装要按照有关吊装规定进行操作，如不遵守这些规定，可能会导致矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严重损坏。
6 结语
采用压注液体二氧化碳防火技术，操作简单、易于施工、购买来之后直接灌注到采空区，不需要其他辅助电气设备。
利用注液态二氧化碳防火，能够达到快速降温、快速汽化膨胀充填采空区隔离氧气的效果。
采用注液态二氧化碳成本低，原有的注高分子胶体防火费用高，每吨高分子胶体在30000元左右，而一吨液态二氧化碳在1500元左右。而且注液态二氧化碳比注高分子胶体施工速度快、降温迅速，能快速达到治理效果，具有较好的推广应用前景。
参考文献
[1] 孙海平.采空区瓦斯抽放方法研究与实践[J].煤矿导报，2009，（12）.
[2] 孙要组，何春生.高瓦斯矿井主动瓦斯防治技术[J].山西煤炭，2009，（7）.
作者简介：刘岷学（1962-），男，陕西合阳人，陕西长武亭南煤业有限责任公司采矿工程师，研究方向：煤矿开采。
摘要：二氧化碳已被广泛应用于各种火灾的治理，它能在较短的时间内控制和扑灭气体、液体、固体和电气火灾，它具有灭火能力强、速度快、使用范围广、对环境不会造成污染等特点。文章介绍了采用注液态二氧化碳新技术，并通过亭南煤业205工作面在停采期间进行防灭火的应用实践证明，该技术有较好的防灭火效果和经济效益。
关键词：液态二氧化碳；防灭火；矿井火灾
中图分类号：O741 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0049-02
1 矿井概况
亭南矿井位于陕西省咸阳市长武县境内、彬长矿区中部。矿井地质储量3.91亿吨，可采储量0.91亿吨，主采侏罗系4号煤层，易自燃煤层。矿井生产能力300万
吨/年，瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。205采煤工作面是二盘区第三个工作面，是第二个采用大采高采煤工艺的工作面，工作面采用倾斜长壁综合机械化后退式采煤法回采，全部垮落法管理顶板，一次采全高6m。
2 矿井通风及防火情况
矿井采用中央分列抽出式通风，目前矿井需要风量为15188m3/min，实际总进风量为16235m3/min；矿井总回风量为17481m3/min，有效风量为14818m3/min，矿井有效风量率为91.3%；矿井负压为2150Pa，矿井等积孔为7.3m2。
煤炭自燃倾向性鉴定为自燃煤层，最短自然发火期为39～46天；煤尘爆炸指数33.86%～35.62%，4#煤层煤尘具有爆炸性。矿井防灭火系统有井下移动注氮系统、黄泥灌浆系统、煤矿自燃火灾束管检测系统。另外，还配备了注液态二氧化碳系统。煤矿自燃火灾采用束管循环监测和人工取样相结合的方式进行监测，能够同时分析检测八种气体的浓度，依此分析判定各地点的气体浓度变化情况。
3 注液态二氧化碳防灭火技术简介
注液态二氧化碳防灭火是应用二氧化碳惰化采空区或火区，抑制煤的氧化自燃、熄灭火点；另外，它还可以快速降温达到防火、灭火的目的。
3.1 液态二氧化碳特性
液态二氧化碳密度随温度变化而改变，-37℃时的密度约为1101kg/m3，汽化热为137kcal/kg，在温度15℃和1个大气压下，1吨液态二氧化碳体积膨胀约640倍。
3.2 液态二氧化碳防治煤自燃机理
3.2.1 吸附阻氧。各煤种在低温阶段吸氧过程中都伴随着耗氧过程而释放CO2、CO等气体，煤级越低，开始释放CO2越早。煤对气体吸附强弱顺序为CO2>CH4>N2。煤吸附CO2能力很强，属于物理吸附，CO2在煤表面的吸附较稳定；煤对CO2优先吸附，且随着压力升高，其选择性吸附能力增加。由于煤对CO2的吸附性强，它的存在必定会对煤低温吸附O2过程有重要影响，CO2的加入导致氧吸附量会减少，影响煤的氧化反应速率。
3.2.2 吸热降温。液态二氧化碳温度低，在直接压注液态二氧化碳时会瞬间气化，体积迅速膨胀，需要吸收大量热量，火区温度急剧下降，降低了煤的氧化升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。注入高温火区的二氧化碳气体温度低，不仅具有对火区惰化和抑爆的能力，而且可以吸收大量的热，从而降低火区温度，加快火区的熄灭。
3.2.3 惰化降氧。液态二氧化碳充注到火区并气化后，使得火区氧浓度下降，削弱了煤氧复合的一个重要条件，使火区因缺氧而窒息。同时，一定程度上抑制了CO等氧化产物的产生，随着CO2浓度增加，耗氧速率减小，煤样表现活化能提高，从宏观上抑制了煤氧化
自燃。
液态二氧化碳内没有氧气，向高温火区灌注时，可完全避免带入氧气而造成的不利影响；而且，二氧化碳比空气密度大，泄漏流失量小，可快速沉入底部而挤出氧气，并在火区内扩散充满其空间，使火区内氧气浓度急速下降。
4 注液态二氧化碳防灭火应用情况
205采煤工作面是二盘区第三个采煤面，在2014年春节放假期间，采用了向采空区压注液态二氧化碳的防火措施，既确保了放假停面期间的防火安全问题，又节约了防火费用。
提前在205灌浆巷内，距205工作面以里40m和45m处，向205采空区方向分别施工注液态二氧化碳高位钻孔，孔径为Ф94mm，高位孔间距为5m。施工钻孔时距底板1.5m处进行施工，钻孔的终孔位置距工作面顶板垂距5m，钻孔的水平方向垂直205面运输顺槽，并且与采空区相透。
在205运输顺槽2#联络巷内敷设一条Ф108mm管路，将205运输顺槽的注浆管路与205灌浆巷的防尘管路相连，并加设1#、2#、3#阀门。再将两个高位孔与205灌浆巷防尘管路相连。
利用移动式二氧化碳灌注时，用Ф25mm高压胶管与1#、2#高位孔连接注入，如图1所示：
12天期间共向205面后部采空区注液态二氧化碳20吨，注入结束后，从采空区采气样利用色谱仪分析，一氧化碳浓度一直稳定在3～21ppm范围内，与以往的利用注高分子胶体防火措施相比，缩短了施工时间，节约了成本。
5 注意事项
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置应在允许的工作压力范围内进行操作，安全泄压装置能在压力过剩的情况下对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置起到保护作用。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严禁超装（本矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置充装系数≤0.95）。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的充装、卸液等人员必须进行相关操作的业务知识培训，培训合格后，方能上岗。
在拆卸任何零件或拧松接头之前，要排空盛有液体的矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，并用安全方式释放挥发气体的压力，外部阀门和接头会变得非常冷，如未加以正确防护，会造成人员受伤。任何时候如要拆卸零件或拧松接头，必须戴上皮制式棉布防护手套和防护面罩，以免低温对人员的冷冻伤害。只有在确认安全的前提下，方可对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置进行修理。
如不小心使皮肤或眼睛接触到液态二氧化碳会导致类似烧伤的冷灼伤，搬运液体要注意不要使其溅落或溢出。要对眼睛、皮肤等易与液体接触的部位进行保护，如产生液体喷射、飞溅或者冷冻气体会从设备内强烈喷出，要戴上防护镜或面套，建议戴上易于脱下的防护手套和长套袖，保护胳膊；要穿上无箍口长裤，裤管要盖住鞋子，以挡住溢出的液体。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的吊装要按照有关吊装规定进行操作，如不遵守这些规定，可能会导致矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严重损坏。
6 结语
采用压注液体二氧化碳防火技术，操作简单、易于施工、购买来之后直接灌注到采空区，不需要其他辅助电气设备。
利用注液态二氧化碳防火，能够达到快速降温、快速汽化膨胀充填采空区隔离氧气的效果。
采用注液态二氧化碳成本低，原有的注高分子胶体防火费用高，每吨高分子胶体在30000元左右，而一吨液态二氧化碳在1500元左右。而且注液态二氧化碳比注高分子胶体施工速度快、降温迅速，能快速达到治理效果，具有较好的推广应用前景。
参考文献
[1] 孙海平.采空区瓦斯抽放方法研究与实践[J].煤矿导报，2009，（12）.
[2] 孙要组，何春生.高瓦斯矿井主动瓦斯防治技术[J].山西煤炭，2009，（7）.
作者简介：刘岷学（1962-），男，陕西合阳人，陕西长武亭南煤业有限责任公司采矿工程师，研究方向：煤矿开采。
摘要：二氧化碳已被广泛应用于各种火灾的治理，它能在较短的时间内控制和扑灭气体、液体、固体和电气火灾，它具有灭火能力强、速度快、使用范围广、对环境不会造成污染等特点。文章介绍了采用注液态二氧化碳新技术，并通过亭南煤业205工作面在停采期间进行防灭火的应用实践证明，该技术有较好的防灭火效果和经济效益。
关键词：液态二氧化碳；防灭火；矿井火灾
中图分类号：O741 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0049-02
1 矿井概况
亭南矿井位于陕西省咸阳市长武县境内、彬长矿区中部。矿井地质储量3.91亿吨，可采储量0.91亿吨，主采侏罗系4号煤层，易自燃煤层。矿井生产能力300万
吨/年，瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。205采煤工作面是二盘区第三个工作面，是第二个采用大采高采煤工艺的工作面，工作面采用倾斜长壁综合机械化后退式采煤法回采，全部垮落法管理顶板，一次采全高6m。
2 矿井通风及防火情况
矿井采用中央分列抽出式通风，目前矿井需要风量为15188m3/min，实际总进风量为16235m3/min；矿井总回风量为17481m3/min，有效风量为14818m3/min，矿井有效风量率为91.3%；矿井负压为2150Pa，矿井等积孔为7.3m2。
煤炭自燃倾向性鉴定为自燃煤层，最短自然发火期为39～46天；煤尘爆炸指数33.86%～35.62%，4#煤层煤尘具有爆炸性。矿井防灭火系统有井下移动注氮系统、黄泥灌浆系统、煤矿自燃火灾束管检测系统。另外，还配备了注液态二氧化碳系统。煤矿自燃火灾采用束管循环监测和人工取样相结合的方式进行监测，能够同时分析检测八种气体的浓度，依此分析判定各地点的气体浓度变化情况。
3 注液态二氧化碳防灭火技术简介
注液态二氧化碳防灭火是应用二氧化碳惰化采空区或火区，抑制煤的氧化自燃、熄灭火点；另外，它还可以快速降温达到防火、灭火的目的。
3.1 液态二氧化碳特性
液态二氧化碳密度随温度变化而改变，-37℃时的密度约为1101kg/m3，汽化热为137kcal/kg，在温度15℃和1个大气压下，1吨液态二氧化碳体积膨胀约640倍。
3.2 液态二氧化碳防治煤自燃机理
3.2.1 吸附阻氧。各煤种在低温阶段吸氧过程中都伴随着耗氧过程而释放CO2、CO等气体，煤级越低，开始释放CO2越早。煤对气体吸附强弱顺序为CO2>CH4>N2。煤吸附CO2能力很强，属于物理吸附，CO2在煤表面的吸附较稳定；煤对CO2优先吸附，且随着压力升高，其选择性吸附能力增加。由于煤对CO2的吸附性强，它的存在必定会对煤低温吸附O2过程有重要影响，CO2的加入导致氧吸附量会减少，影响煤的氧化反应速率。
3.2.2 吸热降温。液态二氧化碳温度低，在直接压注液态二氧化碳时会瞬间气化，体积迅速膨胀，需要吸收大量热量，火区温度急剧下降，降低了煤的氧化升温速度，促使煤的氧化反应由于聚热条件的破坏而延缓或终止。注入高温火区的二氧化碳气体温度低，不仅具有对火区惰化和抑爆的能力，而且可以吸收大量的热，从而降低火区温度，加快火区的熄灭。
3.2.3 惰化降氧。液态二氧化碳充注到火区并气化后，使得火区氧浓度下降，削弱了煤氧复合的一个重要条件，使火区因缺氧而窒息。同时，一定程度上抑制了CO等氧化产物的产生，随着CO2浓度增加，耗氧速率减小，煤样表现活化能提高，从宏观上抑制了煤氧化
自燃。
液态二氧化碳内没有氧气，向高温火区灌注时，可完全避免带入氧气而造成的不利影响；而且，二氧化碳比空气密度大，泄漏流失量小，可快速沉入底部而挤出氧气，并在火区内扩散充满其空间，使火区内氧气浓度急速下降。
4 注液态二氧化碳防灭火应用情况
205采煤工作面是二盘区第三个采煤面，在2014年春节放假期间，采用了向采空区压注液态二氧化碳的防火措施，既确保了放假停面期间的防火安全问题，又节约了防火费用。
提前在205灌浆巷内，距205工作面以里40m和45m处，向205采空区方向分别施工注液态二氧化碳高位钻孔，孔径为Ф94mm，高位孔间距为5m。施工钻孔时距底板1.5m处进行施工，钻孔的终孔位置距工作面顶板垂距5m，钻孔的水平方向垂直205面运输顺槽，并且与采空区相透。
在205运输顺槽2#联络巷内敷设一条Ф108mm管路，将205运输顺槽的注浆管路与205灌浆巷的防尘管路相连，并加设1#、2#、3#阀门。再将两个高位孔与205灌浆巷防尘管路相连。
利用移动式二氧化碳灌注时，用Ф25mm高压胶管与1#、2#高位孔连接注入，如图1所示：
12天期间共向205面后部采空区注液态二氧化碳20吨，注入结束后，从采空区采气样利用色谱仪分析，一氧化碳浓度一直稳定在3～21ppm范围内，与以往的利用注高分子胶体防火措施相比，缩短了施工时间，节约了成本。
5 注意事项
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置应在允许的工作压力范围内进行操作，安全泄压装置能在压力过剩的情况下对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置起到保护作用。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严禁超装（本矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置充装系数≤0.95）。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的充装、卸液等人员必须进行相关操作的业务知识培训，培训合格后，方能上岗。
在拆卸任何零件或拧松接头之前，要排空盛有液体的矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，并用安全方式释放挥发气体的压力，外部阀门和接头会变得非常冷，如未加以正确防护，会造成人员受伤。任何时候如要拆卸零件或拧松接头，必须戴上皮制式棉布防护手套和防护面罩，以免低温对人员的冷冻伤害。只有在确认安全的前提下，方可对矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置进行修理。
如不小心使皮肤或眼睛接触到液态二氧化碳会导致类似烧伤的冷灼伤，搬运液体要注意不要使其溅落或溢出。要对眼睛、皮肤等易与液体接触的部位进行保护，如产生液体喷射、飞溅或者冷冻气体会从设备内强烈喷出，要戴上防护镜或面套，建议戴上易于脱下的防护手套和长套袖，保护胳膊；要穿上无箍口长裤，裤管要盖住鞋子，以挡住溢出的液体。
矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置的吊装要按照有关吊装规定进行操作，如不遵守这些规定，可能会导致矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置严重损坏。
6 结语
采用压注液体二氧化碳防火技术，操作简单、易于施工、购买来之后直接灌注到采空区，不需要其他辅助电气设备。
利用注液态二氧化碳防火，能够达到快速降温、快速汽化膨胀充填采空区隔离氧气的效果。
采用注液态二氧化碳成本低，原有的注高分子胶体防火费用高，每吨高分子胶体在30000元左右，而一吨液态二氧化碳在1500元左右。而且注液态二氧化碳比注高分子胶体施工速度快、降温迅速，能快速达到治理效果，具有较好的推广应用前景。
参考文献
[1] 孙海平.采空区瓦斯抽放方法研究与实践[J].煤矿导报，2009，（12）.
[2] 孙要组，何春生.高瓦斯矿井主动瓦斯防治技术[J].山西煤炭，2009，（7）.
作者简介：刘岷学（1962-），男，陕西合阳人，陕西长武亭南煤业有限责任公司采矿工程师，研究方向：煤矿开采。
